Los científicos desarrollan una técnica de impresión 3D innovadora para crear microestructuras de vidrio con luz

Según un nuevo estudio publicado en la revista Science, investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado un nuevo método para imprimir microestructuras de vidrio en 3D. Este método es más rápido y produce objetos con mayor calidad óptica, flexibilidad de diseño y resistencia.

Los investigadores, en colaboración con científicos de la Universidad de Freiburg en Alemania, ampliaron las capacidades de un proceso de impresión 3D que desarrollaron hace tres años, la litografía axial computacional (CAL), para imprimir características más finas e imprimir en vidrio. Llamaron al nuevo sistema "micro-CAL".

El vidrio suele ser el material elegido para fabricar objetos microscópicos complejos, incluidas las lentes de cámaras pequeñas de alta calidad que se usan en teléfonos inteligentes y endoscopios, y dispositivos de microfluidos que se usan para analizar o procesar pequeñas cantidades de líquidos. Sin embargo, los métodos de fabricación actuales pueden ser lentos, costosos y limitados en su capacidad para satisfacer las crecientes demandas de la industria.

El proceso CAL es fundamentalmente diferente del proceso de fabricación de impresión 3D industrial actual, que construye objetos a partir de capas delgadas de material. Esta técnica puede llevar mucho tiempo y puede dar como resultado texturas superficiales ásperas. Sin embargo, CAL 3D imprime todo el objeto al mismo tiempo. Los investigadores utilizaron un láser para proyectar un patrón de luz en un material fotosensible giratorio, creando una dosis de luz tridimensional, que luego se solidificó en la forma deseada. La naturaleza sin capas del proceso CAL permite superficies suaves y geometrías complejas.

Esta investigación supera los límites de CAL, demostrando su capacidad para imprimir características a microescala en estructuras de vidrio. "Cuando publicamos este método por primera vez en 2019, CAL podía imprimir objetos en polímeros con características de aproximadamente un tercio de milímetro de tamaño", dijo Hayden Taylor, investigador principal y profesor de ingeniería mecánica en UC Berkeley. .

"Ahora, con micro-CAL, podemos imprimir objetos en polímeros con características tan pequeñas como unas 20 millonésimas de metro, o aproximadamente un cuarto del ancho de un cabello humano. Y, por primera vez, hemos demostrado este enfoque No solo puede imprimir en polímeros, pero también puede imprimir en vidrio, con características de hasta aproximadamente 50 millonésimas de metro".

Para imprimir vidrio, Taylor y su equipo de investigación colaboraron con científicos de la Universidad de Freiburg, quienes desarrollaron un material de resina especial que contiene nanopartículas de vidrio rodeadas por un líquido adhesivo sensible a la luz. La proyección de luz digital de la impresora solidifica el aglutinante, y luego los investigadores calientan el objeto impreso para eliminar el aglutinante y fusionar las partículas en un objeto sólido de vidrio puro.

"El factor clave aquí es que el índice de refracción del aglutinante es casi el mismo que el índice de refracción del vidrio, por lo que hay poca dispersión de la luz cuando pasa a través del material", dijo Taylor. El proceso de impresión CAL y este material desarrollado por Glassomer (GmbH) son la combinación perfecta entre sí".

El equipo de investigación también realizó pruebas y descubrió que los objetos de vidrio impresos con CAL tenían una resistencia más estable que los objetos fabricados con procesos tradicionales de impresión basados ​​en capas. "Cuando los objetos de vidrio contienen más defectos o grietas, o tienen una superficie áspera, tienden a romperse más fácilmente", dijo Taylor. Por lo tanto, en comparación con otros procesos de impresión 3D basados ​​en capas, CAL crea objetos con superficies más suaves. La capacidad es una gran ventaja potencial".

El método de impresión 3D de CAL ofrece a los fabricantes de objetos de vidrio microscópicos una forma nueva y más eficiente de cumplir con los exigentes requisitos de geometría, tamaño y propiedades ópticas y mecánicas de los clientes. Específicamente, esto incluye a los fabricantes de componentes ópticos microscópicos que son una parte clave de las cámaras compactas, los cascos de realidad virtual, los microscopios avanzados y otros instrumentos científicos. "Ser capaz de fabricar estas piezas con mayor velocidad y libertad geométrica tiene el potencial de conducir a nuevas capacidades de dispositivos o costos más bajos", dijo Taylor.